Долго люди пользовались только естественным охлаждением. Лишь в начале XIX в., когда ученые открыли новые свойства жидкостей и газов, удалось получить холод искусственно. Сначала искусственный холод применялся только для лучшего сохранения продуктов, но сейчас он стал помощником человека и на производстве. В жаркие дни он охлаждает воздух в заводских цехах, позволяет осуществлять в промышленных масштабах химические реакции, протекающие только при пониженной температуре. Холод применяют для замораживания грунтов при проходке шахт и тоннелей. Замерзший грунт служит хорошей преградой от проникновения воды. На многих заводах холодом обрабатывают сталь. После закалки ее охлаждают до -70° С и выдерживают при такой температуре несколько часов. Металл приобретает мелкозернистую структуру, становится более твердым и не таким хрупким. Теперь трудно назвать область техники, где искусственный холод не нашел бы применения. Прирученный холод стал нашим настоящим помощником и другом и на производстве, и в быту.
Как работают холодильные машины
Каждая жидкость кипит при определенной
температуре. Однако температура кипения зависит от давления пара над жидкостью.
Понижая давление лара, можно достигнуть понижения температуры кипения.
При кипении жидкость - ее называют холодильным
агентом -
отнимает тепло у охлаждаемого
тела. Эффект охлаждения за счет кипения жидкости используется в паровых
холодильных машинах.
Наибольшее распространение получили компрессионные паровые холодильные машины. Машины эти состоят из 4 основных узлов: испарителя, компрессора, конденсатора и регулирующего вентиля, Узлы соединены трубками и представляют собой единую герметичную систему, заполненную легкокипящим холодильным агентом.
Испаритель - это змеевиковая, обычно ребристая снаружи медная трубка. Он расположен непосредственно в шкафу или в камере. Благодаря непрерывному отводу пара в испарителе поддерживается низкое давление. Теплый жидкий холодильный агент, попадая в испаритель, начинает кипеть. Часть жидкости превращается в пар за счет тепла, которое она отбирает у остальной части жидкости. Поэтому температура оставшейся жидкости резко снижается. Оставшаяся жидкость продолжает уже кипеть при низкой температуре (-15° С и ниже), отбирая тепло из воздуха в камере. В результате воздух в камере охлаждается (примерно до 0° С).
Компрессор отсасывает пары из испарителя, поддерживая в нем низкое давление порядка 0,1-0,2 МПа, сжимает их и, направляет в конденсатор, давление в котором примерно 0,6-1 МПа (0,1 МПа = = 10 5 Па = 1 кгс/см 2). На сжатие паров затрачивается работа, и они нагреваются выше температуры окружающей среды. В конденсаторе пары охлаждаются воздухом (или водой) и снова превращаются в жидкость (конденсируются). Затем жидкий холодильный агент проходит через маленькое отверстие регулирующего вентиля. Давление жидкости при этом падает, и она снова поступает в испаритель, где в результате кипения охлаждает воздух в шкафу или камере.
В качестве холодильных агентов используют аммиак, фреон-12 и др.
Фреон-12 применяется в небольших машинах, которые охлаждают шкафы, прилавки и камеры в магазинах, столовых и ресторанах. Аммиак же используют для крупных промышленных холодильных машин.
Наряду с компрессионными существуют и другие типы паровых холодильных машин: эжекторные и абсорбционные (см. рис. на стр. 360 и 361).
В эжекторных машинах для отвода паров из испарителя используется подсасывающий эффект струи пара, которая с большой скоростью проходит через узкое отверстие сопла эжектора. Поскольку сумма кинетической энергии пара (пропорциональная квадрату его скорости) и статического давления пара величина постоянная (уравнение Бернулли), то около струи пара, движущейся с большой скоростью, создается вакуум. Поэтому пары из испарителя по трубке поступают в камеру эжектора. При расширении в диффузоре скорость пара падает и давление его снова растет. При охлаждении в конденсаторе сжатый пар конденсируется. Часть его через вентиль подается снова в испаритель, а часть насосом - в паровой котел, где при кипении создается пар высокого давления (рабочий пар), который поступает в сопло эжектора, и цикл повторяется.
В абсорбционных машинах пары отводятся из испарителя путем поглощения и растворения их жидкостью в специальном аппарате - абсорбере. Насыщенный раствор насосом направляется в генератор, где его подогревают. Пары из раствора при этом выделяются. Слабый раствор через регулирующий вентиль 1 возвращается в абсорбер, а пары поступают в конденсатор. Там, охлаждаясь, они превращаются в жидкость, которая, проходя через регулирующий вентиль 2, снова поступает в испаритель.
В последние годы в холодильной технике внедряется термоэлектрическое охлаждение. На рисунке показана термобатарея, составленная из полупроводниковых элементов - А и В, соединенных медными пластинами М. При прохождении постоянного тока нижний спай пластины М с элементом А нагревается, а верхний охлаждается. У элемента Б холодный спай расположен на входе тока, а не на выходе, но также сверху. Таким образом, одна сторона термобатареи холодная, другая - теплая. Такая термобатарея вставляется в заднюю стенку домашнего холодильника и, отводя тепло от шкафа, через теплую сторону передает его наружу в окружающую среду. Элементы А делают, например, из свинца и теллура, а элементы Б - из сурьмы и теллура.
Термоэлектрические холодильники несколько менее экономичны, чем компрессионные, но зато они бесшумны и более надежны.
Как используют искусственный холод
Для хранения продуктов строят крупные холодильники. Производственный холодильник - это большое здание без окон, со стенами, облицованными изнутри теплоизоляционными материалами с низкой теплопроводностью. Здание разбито на отдельные камеры. В каждой из них хранятся определенные продукты и поддерживается нужная температура. Опыт показал, что для каждого продукта есть вполне определенные границы температуры, позволяющие дольше всего сохранять его вкусовые и питательные качества. Сама холодильная машина расположена в отдельном помещении, а холодильный агент направляется в охлаждающие батареи, расположенные в камерах.
Схема устройства компрессионного холодильника.
Домашний компрессионный холодильник "ЗИЛ".
Принципиальная схема работы пароводяного эжекторного холодильника.
Для хранения и перевозки рыбы используют сударефрижераторы - плавучие холодильники. По железным дорогам скоропортящиеся продукты долгое время перевозили только в вагонах-ледниках. В специальные "карманы" этих вагонов загружали лед. Теперь появились целые поезда-рефрижераторы. В одном вагоне располагаются холодильная машина и двигатель, который приводит ее в действие, другие вагоны - это холодильные камеры. Часто на улицах города можно видеть автомобиль с длинным закрытым серебристым кузовом. Это авторефрижератор. В передней части кузова помещается холодильная машина. Компрессор ее приводится в движение двухтактным мотоциклетным двигателем. Испаритель расположен в холодильной камере, занимающей остальную часть кузова. Для более равномерного охлаждения продуктов в камере помещен вентилятор, создающий циркуляцию воздуха. В таких авторефрижераторах поддерживается температура -16° С.
Схема устройства абсорбционного холодильника.
Термобатарея - основной агрегат термоэлектрических холодильников (а) и схема одного термоэлемента (б).
Свежие продукты, доставленные в города, попадают в магазины, столовые. Там тоже имеются холодильные камеры, шкафы. Они полностью автоматизированы. Для хранения молока, например, требуется температура от 2° до 4° С. При достижении температуры 2° С компрессор автоматически выключается. Когда температура в шкафу из-за притока тепла поднимется до 4° С, давление паров фреона-12 в испарителе возрастет и реле давления снова включит компрессор.
Так же работают и наиболее распространенные домашние компрессионные холодильники: "ЗИЛ", "Минск", "Полюс". Между двойными стенками холодильника проложена изоляция, препятствующая проникновению тепла внутрь. Внутри холодильника в верхней части расположен испаритель. Основные узлы холодильной машины - компрессор с электродвигателем в герметическом кожухе и змеевиковый конденсатор - расположены на задней стенке шкафа. Автоматическое включение и выключение компрессора в тот момент, когда в шкафу достигнута необходимая температура, производит специальное реле температуры. Установив ручку реле температуры на определенном делении шкалы, вы получите нужную температуру в шкафу.
В настоящее время применяются новые методы хранения продуктов. Оказывается, если их заморозить очень быстро, то они гораздо дольше и лучше сохраняют свои вкусовые свойства. Например, свежеиспеченные булочки, став от резкого воздействия холода твердыми, как камень, могут в таком состоянии храниться до 2 месяцев. Если их прогреть 10 мин в духовке, булочки снова станут мягкими и ароматными. Таким же образом можно долго сохранять фрукты, овощи, даже готовые обеды.
Быстрое охлаждение производят в специальных скороморозильных аппаратах. Чтобы ускорить охлаждение, вентилятор гонит в этих аппаратах холодный воздух с очень большой скоростью.
А знаете ли вы, как делают мороженое?
Молоко или сливки смешивают с сахаром и водой, нагревают до 75° С и выдерживают в течение получаса. При этом погибают все микроорганизмы. Затем смесь фильтруют, и с помощью специального насоса давление повышается до 15 МПа. Под таким большим давлением ее с громадной скоростью пропускают через маленькое отверстие, причем на пути помещают твердую преграду. Жировые частички, ударяясь о нее, разбиваются на мельчайшие брызги (до одного микрометра), и смесь становится совершенно однородной.
Схема получения глубокого холода - температур ниже - 120° С.
Теплая масса выливается на трубки охладителя. В верхних трубках протекает холодная вода, а в нижних - холодильный агент с температурой от -5 до -6° С. Смесь охлаждают до +4° С и направляют в холодильный аппарат - фразер. Это горизонтально расположенный цилиндр с двойными стенками, между которыми под низким давлением кипит аммиак. Он охлаждает поступающую смесь до температуры -4°С; одновременно ее взбивают и насыщают воздухом. Вращающиеся ножи снимают с внутренней стенки загустевшую, как сметана, массу. Мороженое разливают в формочки и замораживают при -20 или -25° С. Готовые порции мороженого кладут между двумя вафлями или. обливают шоколадом, после чего остается только завернуть их в бумагу.
Глубокий холод
До сих пор мы говорили об искусственном холоде, применяемом в пищевой промышленности для хранения и транспортировки продуктов питания, где обычно не требуются температуры ниже -40° С. Однако статья об искусственном холоде была бы неполной без рассказа о "глубоком" холоде (температура ниже -120° С).
Получать температуры ниже -120° С с помощью компрессионных установок сложно и невыгодно. Для этой цели применяют другие методы.
Если сжатый газ направить в цилиндр, то он расширится и переместит поршень, совершив при атом работу. Теряя свою энергию, газ сильно охлаждается. Такая машина называется детандером. Если сжатый газ направить на лопатки вращающегося колеса- турбодетандера, то и в этом случае, вращая ротор, он резко снизит свою температуру. Так, при падении давления с 0,6 до 0,1 МПа воздух охлаждается с 20° до -90° С.
В установке для получения жидкого воздуха сжатый в компрессоре до 0,6-0,6 МПа воздух, прежде чем попасть в турбодетандер, охлаждается в теплообменнике. Из турбодетандера еще более охлажденный воздух поступает в конденсатор. Там он охлаждает и превращает в жидкость другую часть воздуха, которая под давлением 0,5-0,6 МПа поступает из теплообменника в межтрубное пространство конденсатора. Через вентиль жидкий воздух направляется в нижнюю часть конденсатора, где давление уже 0,1 МПа. Оттуда его можно слить в специальный сосуд Дьюара, где благодаря изоляции, создаваемой безвоздушным пространством между двойными стенками, жидкий воздух можно сохранять долгое время.
Получение сверхнизких температур позволило открыть интересные свойства различных веществ. Так, резина в жидком воздухе становится хрупкой, некоторые металлы начинают очень хорошо проводить электрический ток, а свинцовый колокольчик приобретает звучание чистого серебра.
Важнейшее применение глубокого холода - сжижение газов. Каждый газ имеет свою критическую температуру. Пока температура его выше критической, никаким давлением нельзя превратить его в жидкость. При современном развитии холодильной техники стало возможным охлаждать газы намного ниже их критической температуры и превращать их в жидкость при невысоких давлениях. Это позволило дешевым способом получать многие нужные нам газы. Так, если постепенно подогревать жидкий воздух, то сначала из него выделяется азот, имеющий более низкую температуру кипения, а жидкий кислород остается в сосуде. Этот способ получения кислорода широко применяется в промышленности.
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Тема: «Физические процессы и технические средства получения искусственного холода на предприятиях АПК»
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛУЧЕНИЯ ИСКУССТВЕННОГО ХОЛОДА
Неотъемлемой частью технологических процессов скоропортящихся продуктов, их последующей сохранности, транспортировки и реализации является искусственный холод.
Искусственное охлаждение - это отвод теплоты от тела, имеющего температуру более низкую, чем температура окружающей среды, в которой находится охлаждаемое тело.
Использование искусственного холода для сохранения скоропортящихся продуктов нашло свое применение еще в XIX веке, в основном на рыбных промыслах. В основу получения искусственного холода были положены физические процессы, которые сопровождаются поглощением теплоты. Иногда для этих целей используют механическую работу или электричество.
Существует ряд таких процессов, которые сопровождаются поглощением теплоты извне. К ним можно отнести фазовый переход вещества, а именно:
Плавление;
Испарение;
Сублимация (сухая пререгонка, возгонка - или непосредственно переход вещества при нагревании из твердого в газообразное состояние, минуя стадию жидкости);
Адиабатическое дросселирование (расширение газа, проходящего через суженное отверстие без совершения внешней работы и без теплообмена с окружающей средой - эффект Джоуля-Томсона);
Этот эффект обусловлен затратой внутренней энергии на работу против сил молекулярного притяжения, что приводит к изменению температуры реального газа. Применяется в технике глубокого охлаждения. В холодильных машинах АПК этот способ применяется крайне редко.
Адиабатическое расширение газа с совершением полезной внешней работы;
Вихревой эффект (эффект Ранка), который заключается в том, что сжатый воздух, имеющий температуру окружающего воздуха, подается в трубу по тангенциальному вводу;
Термоэлектрический эффект (эффект Пельтье) заключается в том, что при прохождении постоянного электротока через цепь, состоящую из двух разнородных металлов, один из них имеет более низкую температуру, второй более высокую. Холодный спай является источником низкой температуры. По такому принципу работают термоэлектрические охлаждающие устройства.
Для сохранения скоропортящихся продуктов их необходимо охлаждать постоянно. Это возможно в том случае, если имеется большой запас хладагента, или при его конечном количестве восстанавливать его первоначальное состояние, т.е. хладагент должен совершать круговой процесс или цикл, претерпевая ряд изменений, но обязательно превращаться в первоначальное состояние. Для этой цели необходимо затрачивать внешнюю работу.
2. термодинамические процессы и циклы холодильных установок
Идеальным циклом получения искусственного холода может быть холодильная установка, работающая в соответствии с обратным циклом Карно, сущность которого сводится к следующему. В отличие от прямого цикла, в котором производится работа при переходе теплоты от более нагретого тела к менее нагретому, в обратном цикле работа или теплота передается от менее нагретого тела к более нагретому. На диаграмме это явление (процесс) можно представить следующим образом.
Как видно из диаграммы, в процессе 1 - 2 хладагент адиабатно сжимается от объема V1 до объема V2 с повышением температуры от Т2 до Т1. Далее в процессе 2 - 3 осуществляется сжатие хладагента при одновременном изотермическом отводе тепла Q1 при температуре Т1 в окружающую среду. В процессе 3 - 4 хладагент адиабатно расширяется от объема V3 до объема V4 с понижением температуры от Т1 до Т2. В процессе 4 - 1 хладагент продолжает увеличиваться в объеме (расширяться) при температуре Т2, изотермически получая теплоту Q2 от более холодного тела относительно внешней среды.
Цикл идеальной холодильной машины
S - энтропия, т.е. количество энергии, которое передается в виде тепла от одного тела к другому (Клаудисус, 1852 г.)
Q - запас тепла
Т - абсолютная температура
Действительный цикл холодильной машины
1-2 - адиабата (S = const) - сжатие сухих паров в камере. Процесс 2-2" - охлаждение хладона в конденсаторе (P= const), отводит ранее полученное тепло окружающей среде.
2"-3 - сжатый хладон при Т= const и P=const конденсируется в конденсаторе.
3-3" - переохлаждение в теплообменнике изобарно. P= const.
3"-4 - расширение после ТРВ (изоэнтальпа, i= const.
4 -1 - кипение в испарителе (T = const, P = const).
1-2 - адиабатное сжатие в компрессоре до давления Р1.
Полезным эффектом холодильного цикла является количество теплоты Q2 , которая отбирается хладагентом от охлаждаемого продукта, имеющего температуру Т2 < Т1. Это количество теплоты принято называть холодопроизводительностью цикла, которую можно определить по формуле:
где i1 - энтальпия сухого пара хладагента;
i4 - энтальпия жидкого хладагента при температуре переохлаждения;
Сср - средняя теплоемкость хладагента при Р = const.
Для оценки работы холодильной машины, работающей по обратному циклу Карно, используют холодильный коэффициент, который определяется как отношение полезного количества теплоты, отнятой от холодильного источника ограниченных размеров, к затраченной работе на осуществление цикла, где Аобр - работа, затрачиваемая на осуществление обратного цикла.
Для осуществления такого цикла в рабочую схему холодильной машины необходимо устанавливать дополнительно расширитель принудительного действия - дендратер. Это приводит к дополнительному расходу энергии.
В действующих холодильных установках вместо расширительного цилиндра (расширителя) устанавливается дросселирующий вентиль, через который проходит хладагент с предварительным охлаждением. Это делается для того, чтобы увеличить количество кипящего хладагента в испарителе, что приведет к уменьшению цикла работы холодильной машины. Причем этот цикл сопровождается перегревом паров при сжатии.
Рабочий процесс холодильной машины можно представить в виде следующей диаграммы. Жидкий хладон кипит в испарителе при Т = const и Р2 = const (процесс 4-1 - изобара, изотерма), получая тепло Q2 , которое отводит от охлаждаемого тела.
Образовавшийся пар, пройдя теплообменник, поступает в компрессор, где адиабатно сжимается до давления Р1 (процесс 1-2) Сжатые и перегретые
пары из компрессора поступают в конденсатор, в котором при постоянном давлении Р1 охлаждаются (процесс 2-2") при одновременном изобарическом отводе тепла Q1, полученного в предыдущих процессах в окружающей среде. Отдавая теплоту, хладагент поступает в теплообменник (переохладитель), где он дополнительно охлаждается до более низкой температуры парами хладагента, вышедшими из испарителя, или водой. При этом давление Р1 = const, а температура ниже, чем температура конденсации Т1 (процесс 2"-3 изобара). Из теплообменника хладагент подается в фильтр-осушитель, пройдя через который поступает в ТРВ. Дросселируясь, хладагент адиабатно расширяется до давления Р2 (процесс 3-4 изоэнтальпа i = const) с понижением температуры от Т1 до Т2. Далее процесс повторяется.
Различают компрессионные холодильные машины, в которых происходит сжатие холодильного акта; теплоиспользующие холодильные машины, потребляющие тепловую энергию; термоэлектрические холодильные машины, основанные на использовании Пельтье явления.
Компрессионные холодильные машины в свою очередь подразделяют на газовые, в которых газообразный холодильный агент не меняет агрегатного состояния, и на паровые, в которых холодильный агент изменяет агрегатное состояние (пар - жидкость). Последние получили наиболее широкое распространение.
Теплоиспользующие холодильные машины подразделяют на абсорбционные, у которых в холодильном цикле участвуют два компонента - холодильный агент и поглотитель (абсорбент), и пароэжекторные, в которых сжатие пара осуществляется с помощью пароэжектора.
Холодильный агйнт или хладагйнт - это рабочее вещество холодильной машины. В зависимости от типа холодильной машины применяются различные хладагенты. Так, в паровых компрессионных холодильных машинах в качестве хладагента применяют хладоны, аммиак, углеводороды (пропан, этан, этилен и др. вещества; в абсорбционных - водные растворы аммиака и бромистого лития; в пароэжекторных - водный пар.
Рассмотрим схемы и принципы действия компрессионной паровой, теплоизолирующей абсорбционной и теплоиспользующей эжекторной холодильных машин.
Рис1. Принцип работы компрессионной холодильной машины
Схема компрессионной холодильной машины представлена на рис. 1. Она состоит из следующих основных элементов: испарителя 2, компрессора 3, конденсатора 6, теплообменника 9, фильтра-осушителя 11 и терморегулирующего вентиля ТРВ 10, соединенных между собой трубопроводами в замкнутую герметичную систему, заполненную холодильным агентом.
Испаритель содержит промежуточный теплоноситель (воду), находящийся в аккумуляторе холода 1 в результате теплообмена с кипящим холодильным агентом. Кипение холодильного агента в испарителе происходит за счет дросселирования в ТРВ и поддерживаемого компрессором низкого давления. Температура кипения холодильного агента в испарителе обычно на 5-150 ниже температуры охлаждаемой среды. Через поверхность испарителя вода отдает свое тепло холодильному агенту, который при этом превращается в пар. Таким образом, в испарителе холодильный агент кипит при низкой температуре, отбирая тепло от охлаждаемой воды.
Компрессор отсасывает пары холодильного агента из испарителя и поддерживает в нем низкое давление, обеспечивающее низкую температуру кипения. Кроме того, компрессор нагнетает пары в конденсатор и сжимает их до такого высокого давления, при котором они превращаются в жидкость при условии охлаждения их окружающей средой с температурой 20-300С.
Конденсатор обеспечивает охлаждение сжатых паров холодильного агента окружающим воздухом с целью понижения температуры паров до температуры конденсации (состояния насыщения) и конденсации насыщенных паров в жидкое состояние.
Ресивер создает запас жидкого холодильного агента, необходимый для обеспечения равномерного питания им испарительной системы. Кроме того, ресивер является дополнительной емкостью конденсатора, которая предотвращает переполнение последнего жидким холодильным агентом. Ресивер работающей холодильной машины должен быть заполнен жидким холодильным агентом на 50% своего объема.
Теплообменник обеспечивает переохлаждение жидкого холодильного агента, поступающего к терморегулирующему вентилю, и перегрев парообразного холодильного агента, поступающего из испарителя в компрессор.
Фильтр-осушитель улавливает различные механические загрязнения (опилки, ржавчину и т.п.) холодильного агента и поглощает влагу, находящуюся в системе.
Терморегулирующий вентиль предназначен для дросселирования жидкого холодильного агента, поступающего в испаритель, и регулирования его расхода. Дросселирование сопровождается понижением давления холодильного агента от давления конденсации до давления кипения. Кроме того, терморегулирующий вентиль обеспечивает необходимое заполнение испарителя жидким холодильным агентом, подавая в единицу времени столько жидкости, сколько паров успевает за это время отсосать компрессор.
Таким образом, холодильная машина работает по замкнутому циклу. Процесс дросселирования жидкого холодильного агента терморегулирующим вентилем (ТРВ) сопровождается изменением агрегатного состояния холодильного агента. Часть жидкости, прошедшей через ТРВ, превращается в насыщенный пар, охлаждая при этом остальную часть холодильного агента до температуры кипения. Поэтому из ТРВ выходит смесь жидкости и насыщенного пара (влажный пар). Относительное содержание пара в этой смеси 10-20% по массе или до 90-95% по объему. Влажный пар, поступающий в испаритель, разделяется на жидкую и газообразную фазы. Жидкость в испарителе кипит при давлении кипения, поглощая тепло от промежуточного теплоносителя (воды) через стенки испарителя. Пары, поступающие из ТРВ и образовавшиеся при кипении, отсасывает компрессор. Температура и давление кипения зависят от требуемой температуры охлаждения, величины теплопередающей поверхности испарителя и интенсивности теплообмена.
Пары холодильного агента, отсасываемые компрессором, по мере продвижения по испарителю в результате теплообмена через стенки последнего дополнительно подогреваются. Поэтому их температура на выходе из испарителя обычно на 2-70С выше температуры кипения.
Сжатие паров холодильного агента в компрессоре с давления кипения до давления конденсации сопровождается возрастанием их внутренней энергии, давления и температуры. Температура конца сжатия паров компрессоре зависит от разности давлений на входе и выходе из компрессора и достигает 60-800С.
В конденсаторе последовательно происходит три процесса: охлаждение сжатых паров до состояния насыщения, их конденсация и переохлаждение жидкого холодильного агента. Давление и температура конденсации зависит от температуры охлаждающей среды, величины теплопередающей поверхности конденсатора и интенсивности теплопередачи. Как правило, температура конденсации на 5-200С превышает температуру охлаждающей среды.
Жидкий холодильный агент из конденсатора через ресивер, теплообменник и фильтр-осушитель поступает в ТРВ и цикл повторяется. Таким образом, холодильный агент, совершая движение по замкнутому циклу, отнимает тепло от воды в аккумуляторе холода и отдает его воздуху, обдувающему конденсатор.
Абсорбционная холодильная машина
В теплоиспользующей абсорбционной холодильной машине (АХМ) для отвода пара из испарителя служит абсорбер - сосуд, заполненный водой. Пары аммиака (холодильный агент R717) из испарителя И попадают в абсорбер Аб. Вода, через которую пробулькивают пары аммиака, растворяет их (абсорбирует, т.е. впитывает). Некоторое снижение давления в абсорбере способствует поступлению новых паров из испарителя в абсорбер.
При растворении аммиака в воде выделяется теплота, которая ухудшает дальнейшее растворение аммиака. Поэтому абсорбер необходимо охлаждать.
Насыщенная аммиаком вода (крепкий раствор) подается в генератор Г. Здесь крепкий раствор нагревается проходящим по змеевику горячим паром (в домашних абсорбционных холодильниках крепкий раствор нагревается электроспиралью или с помощью газовой горелки). Пары аммиака, образующиеся при нагревании крепкого раствора, из генератора поступают в конденсатор Кд, где охлаждаются водой и конденсируются. Жидкий аммиак высокого давления дросселируется в регулирующем вентиле ТРВ и поступает в испаритель, где кипит при низком давлении, отбирая теплоту от охлаждающих сред.
Оставшийся в генераторе, после выкипания аммиака, слабый водоаммиачный раствор возвращается в абсорбер и впитывает новые порции паров аммиака, поступающие из испарителя.
Таким образом, в отличии от компрессионной машины в абсорбционной вместо компрессора используются два аппарата (абсорбер и генератор), а также насос для подачи жидкости, мощность которого примерно в 10 раз меньше, чем у компрессора.
В домашних абсорбционных холодильниках насос и вентиль 2РВ вообще исключены из схемы. Это достигается добавлением в испаритель водорода. В результате давление в конденсаторе становится равным суммарному давлению аммиака и водорода в испарителе. При этом добавление водорода не влияет на температуру кипения аммиака в испарителе, так как она определяется только парциальным давлением паров аммиака.
Холодильный коэффициент
в абсорбционных машинах е? в три раза меньше, чем в компрессионных. Отсутствие компрессора, создающего при работе шуми выходящего из строя быстрее, чем теплообменные аппараты, обуславливает применение абсорбционных машин также и для домашних холодильников.
Однако, по сравнению с компрессионными холодильные машины абсорбционные имеют ряд недостатков. Поскольку нагреватель постоянно или циклично включен в электросеть, эксплуатация абсорбционных холодильных машин обходится дороже компрессионных, включающихся в сеть периодически. Производительность абсорбционных холодильных машин значительно ниже компрессионных, процесс охлаждения и получения низкой (минусовой) температуры в абсорбционных холодильных машинах протекает значительно медленнее и достигаемая температура значительно выше, чем в компрессионных холодильных машинах.
Широко распространены в быту холодильники абсорбционного типа (АТ). Свое название они получили от происходящих в них процессах абсорбции, т.е. поглощение жидким или твердым поглотителем паров хладагента, образующихся в испарителе. Хладагентом служит аммиак. Пары аммиака поглощаются водой с образованием при этом водоаммиачного раствора.
Компонентами раствора для заполнения холодильного агрегата являются: хладагетн - аммиак, абсорбент - бидистиллят воды, ингибитор - хромат натрия Na2CrO4 , инертный газ - водород. Количество водоаммиачного раствора для заполнения холодильного агрегата составляет 350-750 см3, концентрация аммиака в водоаммиачном растворе 34-36% (по массе).
Агрегат наполнен водоаммиачным раствором и водородом под давлением 1,47-1,96 МПа. Водород инертен и не вступает в химическую реакцию с аммиаком.
Назначение водорода - создание противодавления аммиачному пару. Водород подается в конденсатор с меньшим давлением, чем давление аммиачного пара до его конденсации.
Для предохранения внутренней поверхности труб холодильного агрегата от коррозии в раствор вводят хромат натрия (Na2CrO4) в количестве? 2% массы заряда. Водоаммиачный раствор приготавливают, смешивая аммиак с дистиллированной водой двойной перегонки.
Холодильный агрегат расположен на задней стенке холодильного шкафа, испаритель - внутри холодильной камеры.
Холодопроизводительность агрегата абсорбционно-диффузионного типа 20-30 ккал/ч.
Холодильный агрегат
Рис. Холодильный агрегат абсорбционного типа
1 - кипятильник; 2 - дефлегматор; 3 - конденсатор;
4 - испаритель; 5 - абсорбер; 6 - капиллярная трубка Ш 0,8 мм
Холодильный агрегат абсорбционно-диффузионного действия изготовлен из бесшовных труб, соединенных газовой сваркой. Основные узлы агрегата:
генератор - выработка аммиачного пара и подъем слабого раствора на высоту слива в абсорбер;
конденсатор - конденсация паров аммиака;
испаритель - испарение жидкого аммиака с образованием холода;
абсорбер - поглощение пара аммиака водоаммиачным раствором (процесс абсорбции);
электронагреватель - нагрев водоаммиачного раствора в генераторе.
Принцип работы холодильного агрегата абсорбционного типа заключается в следующем. Концентрированный раствор постоянно нагревается в кипятильнике 1 до температуры кипения каким-либо источником тепла (электрическим, газовым и т.д.). Так как температура кипения хладагента значительно ниже температуры кипения растворителя (абсорбента), то в процессе выпаривания концентрированного раствора (приблизительно t = 165-1750С) из кипятильника выходят концентрированные пары хладагента с небольшим количеством растворителя. На пути движения к конденсатору концентрированные пары хладагента проходят специальный теплообменный аппарат (дефлегматор 2), в котором происходит частичная конденсация концентрированных паров. При этом образовавшийся конденсат стекает в слабый раствор, выходящий из кипятильника, а более концентрированные пары хладагента поступают в конденсатор 3. Высококонцентрированный жидкий хладагент по капиллярной трубке Ш 0,8 мм из конденсатора поступает в испаритель 4, где он закипает при отрицательной температуре, отбирая тепло из холодильной камеры. Слабый раствор из кипятильника поступает в абсорбер 5 и охлаждается окружающей средой до температуры начала абсорбции. Выходящие из испарителя пары хладагента также поступают в абсорбер навстречу движущемуся охлажденному слабому раствору. В абсорбере происходит процесс поглощения (абсорбции) паров хладагента слабым раствором. При этом выделяется некоторое количество теплоты абсорбции (смешения) в окружающую среду. Образовавшийся в абсорбере концентрированный раствор термонасосом подается в кипятильник.
Циркуляция раствора и хладагента осуществляется непрерывно, пока работает кипятильник и термонасос, обогреваемые одним источником тепла. Таким образом, в абсорбционном холодильном агрегате непрерывного действия роль всасывающей части механического компрессора выполняется абсорбером, а нагнетательной - термонасосом.
Российской промышленностью выпускаются абсорбционные холодильные агрегаты: Морозко 3м, 4м, 5м; Ладога 40м; Спутник АШ-60, Кристалл 4, 9,9 м, 12м; Иней, Россия. Стоимость таких агрегатов значительно дешевле, но нет в нашей республике гарантийного обслуживания и ремонта.
В пароэжекторной холодильной машине рабочий пар из кипятильника (парогенератора) поступает в сопло эжектора, где расширяется и, выходя из сопла с большой скоростью, инжектирует (захватывает) холодный пар из испарителя. Общий поток поступает в конденсатор, где создается давление Рк.
Схема пароэжекторной холодильной машины
1 - кипятильник; 2 - эжектор; 3 - испаритель; 4 - охладительные объекты; 5, 7 - насосы;
6 - конденсатор.
Из конденсатора основная часть жидкости насосом возвращается в кипятильник, а меньшая часть поступает через регулирующий вентиль РВ1 в испаритель. В нем за счет работы эжектора поддерживается низкое давление Р0, при котором часть воды испаряется, пары отсасываются эжектором, а основная масса охлаждается и насосом подается к охлаждаемым объектам. В испаритель вода возвращается через регулирующий вентиль РВ2.
По энергетическим показателям пароэжекторные машины уступают компрессионным, но простота их конструкции и обслуживания, низкая начальная стоимость, высокая надежность и возможность использования теплоты низкого потенциала делают их применение в определенных условиях предпочтительным.
Рабочие вещества холодильных машин, их основные свойства и область применения
Рабочее вещество, с помощью которого в холодильной машине совершается обратный круговой цикл, называется хладагентом. Хладагенты используют в холодильных машинах, кондиционерах воздуха и теплонасосах. Наиболее распространенными теплоагентами являются вода, аммиак, хладоны и воздух.
В зависимости от используемого хоадагента холодильные машины делят на две группы: паровые и газовые.
Паровые машины бывают двух типов - компрессионные и абсорбционные. В машинах первого типа циркуляцию хладона осуществляет компрессор. Во втором типе - циркуляция обеспечивается за счет тепловой энергии теплонагревателя при нагреве им сжиженного газа.
В газовых машинах в качестве хладагента используют воздух.
В кондиционерах в качестве хладагента используют воду, т.к. температура теплоносителя всегда больше 00С (t > 00С).
Воду используют в качестве хладагента и в установках абсорбционного и эжекторного типов.
Аммиак применяют в специальных абсорбционных установках при температуре кипения tк > -700С. Основные преимущества его:
Малый удельный объем при температурах испарения;
Большая теплота парообразования;
Незначительная растворимость в масле;
Не оказывает координирующего действия на сталь.
К недостаткам относятся его ядовитость, горючесть, а также взрывоопасность при концентрации в воздухе 16…26,8 %. В смеси с водой разъедает цинк, медь, бронзу и др. медные сплавы, за исключением фосфористой бронзы. Поэтому большее распространение получили в качестве хладагентов углеродные или углеводородные соединения, содержащие фтор, хлор и бром. Это позволило повысить надежность, энергетическую эффективность и безопасность холодильных машин. Первоначально такие галоидопроизводные предельных углеводородов называли фреонами из-за того, что торговая американская фирма «Дюпон» в 1928 г. Впервые синтезировала фреон-12. В настоящее время вместо термина «фреон» введен термин «хладон». Обозначение хладонов согласно международного стандарта МС ИСО 817-74 строится по формуле R - N (где R - символ, обозначающий холодильный агент; N - номер хладона или присвоенный номер для других хладагентов). Для хладонов номер расшифровывается в следующем порядке.
Первая цифра в двухзначном номере или первые две или первые две цифры в трехзначном номере обозначают тот насыщенный углеводород CnH2n+2 , на базе которого получен хладон. Установлены следующие цифры: 1 - СН4 (метан); 11 - С2Н6 (этан); 21 - С3Н8 (пропан); 31 - С4Н10 (бутан) и т.д. Галоидные соединения насыщенных углеводородов CnH2n+2 , полученные путем замены атомов водорода атомами фтора, хлора, брома (CnHxFyClzBru), чрезвычайно многочисленны. Число молекул отдельных составляющих, входящих в эти химические соединения, связаны зависимостью x + y + z + u = 2n + 2.
Справа пишут число атомов фтора в хладоне CF2Cl2 - R12, C3F4Cl4 - R214 и т.д. При наличии в хладоне атомов брома после основного номера пишут букву В, а за ней число атомов брома: CF2Br2 - R12B2 . Незамещенные атомы водорода - плюс столько единиц, сколько осталось незамещенных атомов к первой цифре (метан) или ко второй в остальных соединениях.
К основным свойствам хладагентов относятся теплофизические, физико-химические и физиологические. К теплофизическим свойствам относятся вязкость м, теплопроводность л, плотность с, температура замерзания tкр и др. м, л, с - влияют на коэффициент теплопередачи при кипении и конденсации. Большим значением л, с и малой вязкости м соответствуют большие значения коэффициентов теплопередачи. Вязкость и плотность влияют на гидравлические сопротивления при циркуляции хладагента в системе. К физико-химическим свойствам относятся растворимость в смазочных маслах и воде, инертность к металлам, взрывоопасность и воспламеняемость. По физиологическим свойствам хладагенты не должны быть ядовитыми.
По характеру взаимодействия с маслом все хладагенты разделяют на две группы. К первой относятся хладагенты с ограниченной растворимостью в масле (аммиак R717, углекислота R44, близко подходят хладоны R13, R14, R115); ко второй группе - с неограниченной растворимостью (R11, R12, R21, R22, R40). Это значит, что при ограниченной растворимости в жидкой фазе смеси наблюдаются два слоя, из которых в одном преобладает масло, в другом - хладагент. Во втором случае этого не наблюдается и, кроме того, если кипит не чистый хладагент, а смесь (R12 + масло), то для получения такой же температуры кипения, что и для чистого R12, необходимо поддерживать более низкое давление кипения и, следовательно, затрачивать излишнюю работу на сжатие пара.
Кроме того, маслохладоновая смесь имеет большую вязкость. А это уменьшает коэффициент теплопередачи. Растворимость хладонов в воде также имеет важное значение для нормальной работы холодильной машины. Избыточное присутствие влаги приводит к «запайке» льдом дроссельного отверстия терморегулирующего вентиля.
Взаимодействие хладонов с металлами зависит также от содержания в них влаги.
Галогенизированные углеводороды дают с влагой галогенные кислоты, при которых возможны гидролиз хладона и коррозия металлов.
Хладагент не должен быть взрывоопасным и ядовитым, а также не воспламеняться в смеси с воздухом. Однако аммиак вызывает раздражение глаз и верхних дыхательных путей. Допустимая концентрация его в воздухе > 0,02 г/м3.
Хладоны с большим содержанием фтора или полностью фторированные (R13, R113) практически безвредны для человека. R12 только на открытом пламени разлагается на составные части. В продуктах его разложения содержится фосген. Недостаток фтора - озоновые дыры.
В каких областях применяются различные хладагенты?
Аммиак (R717), хладоны (R12, R22) используют в компрессионных холодильных машинах для получения температуры кипения до -30…-400С без вакуума в системе охлаждения. R12 применяют в одноступенчатых холодильных машинах с tконд = < + 750С и tкип = > -300С, в домашних холодильниках, кондиционерах, водоохлаждающих холодильных машинах. R22 применяют для машин с поршневыми и винтовыми компрессорами одно- и двухступенчатого сжатия, а также в бытовых холодильниках. Диапазон tкип = -10…1700С, tконд = < 500С.
Для уменьшения растворимости и циркуляции масла вместо R22 используют смесь R22 и R12, а также азетропную смесь R502.
R502 применяют в низкотемпературных одноступенчатых холодильных машинах при tконд = < 500С и tкип = > -450С и т.д.
Для практического использования наиболее перспективными можно считать следующие хладагенты:
для высокотемпературных холодильных машин
Ркр/Р0 R12/R114; R22/R114; R143/R142
Р0 - давление расширения
для среднетемпературных
R22/R114; R143/R12; R13B1/R12; R12/R142; R22/R12/R142/CO2
для низкотемпературных
R13/R12; R13B1/R12; R13/R22/R12/азот.
Примерные обозначения и основные термодинамические свойства наиболее распространенных хладонов
По давлению конденсации при температуре конденсации tк = 300С хладагенты делятся на три группы:
1) хладагенты высокого давления (2 < Р30 < 7 МПа) или низкотемпературные (tн.к ниже -600С) - R744; R13; R14;
2) хладагенты среднего давления (0,3 < Р30 < 2 МПа) или среднетемпературные (tн.к выше -600С и ниже -100С) - R717; R12; R22; R115; R143; R502;
3) хладагенты низкого давления (Р30 < 0,3 МПа) или высокотемпературные (tн.к выше -100С).
По виду использования хладагента холодильные машины подразделяются на аммиачные, хладоновые, пропановые, пароводяные, водоаммиачные и др. На практике применяется более двадцати хладагентов.
Поскольку в сельском хозяйстве применяются в основном компрессионные холодильные установки, трущиеся части компрессора должны быть тщательно смазаны. Для смазки применяются специальные смазочные масла, которые длительное время сохраняют свои физико-химические свойства без старения с возможно низкой температурой застывания и высокой температурой вспышки. Для этой цели применяют специальные холодильные (рефрежираторные) масла высокого качества типа ХФ. При этом каждому виду хладона должен соответствовать его тип масла (R12 - ХФ 12-16; R22 -ХФ 22-24; R717 -ХА; ХА-23; ХА-30; ХА-34).
Старение масла происходит под действием кислорода воздуха, в результате чего происходит коррозия металла и выделение смолистых веществ, которые приводят к закупорке небольших проходных отверстий в холодильной машине. Смазочные масла не должны содержать влаги. Поэтому выпускают их тщательно просушенными, а хранят в герметически закрытой таре. Перед заправкой холодильной машины масло обязательно дополнительно сушат.
Смазочные масла должны иметь низкие температуры помутнения и застывания. Помутнение происзодит при понижении температуры вследствие выделения из масла кристаллов парафина. А это приводит к закупорке небольших проходных сечений в машине (капиллярных трубок) и нарушению нормальной работы холодильника.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Холодильная техника. Под ред. В.Ф. Лебедева. -М.: Агропромиздат, 2006.
А.И.Побединский и др. Искусственный холод на предприятиях АПК. -Мн.: Ураджай, 2004
...Физические основы получения искусственного холода. Холодильные агенты и промежуточные хладоносители, их свойства и требования, предъявляемые к ним. Типы холодильных машин и агрегатов, системы охлаждения, ремонт установок и задачи их эксплуатации.
контрольная работа , добавлен 29.03.2011
Использование холода в кондитерском производстве. Оптимальные параметры охлаждающих сред для производства конфет. Группировка потребителей холода по изотермам холода. Расчет термодинамических циклов холодильных машин. Схема системы хладоснабжения.
курсовая работа , добавлен 19.06.2011
Монтаж холодильных установок: оборудования со встроенными герметическими машинами, малых установок с вынесенными агрегатами, установок средней и большой производительности. Техника безопасной работы при обслуживании и эксплуатации холодильных установок.
курсовая работа , добавлен 05.11.2009
Системы охлаждения холодильных камер. Основные способы получения холода. Устройство и принцип действия компрессионной холодильной машины. Холодильные машины и агрегаты, применяемые в современной торговой деятельности. Их конструкция и основные виды.
курсовая работа , добавлен 17.04.2010
Область применения холодильных установок. Обслуживание оборудования, холодильно-компрессорных машин и установок в соответствии с техническими чертежами и документацией. Требования к индивидуальным особенностям специалиста и профессиональной подготовке.
презентация , добавлен 10.01.2012
Основные принципы агрегатирования парокомпрессорных холодильных машин. Состав компрессорно-конденсаторных и компрессорно-испарительных агрегатов. Конструктивные особенности воздушного конденсатора. Морозильные бонеты, их виды и область применения.
реферат , добавлен 11.09.2014
Характеристика основного назначения холодильной техники, которая позволяет сохранять свойства пищевых продуктов, а также получать пищевые продукты с новыми свойствами. Принцип действия компрессионных, абсорбционных и пароэжекторных холодильных машин.
реферат , добавлен 15.12.2010
История и современное состояние испарителей холодильных установок. Камерные приборы тихого охлаждения. Классификация и конструкции основных типов испарителей холодильных установок. Камерные приборы тихого охлаждения. Модернизация атмосферных испарителей.
курсовая работа , добавлен 12.10.2013
Роль холодильных технологий на рынке пищевых продуктов. Характеристика района строительства. Расчёт строительных площадей камер хранения и холодильника. Выбор строительно-изоляционных конструкций и расчет толщины теплоизоляции. Подбор оборудования.
курсовая работа , добавлен 29.06.2012
История создания и классификация абсорбционных холодильных машин; область применения и использования. Расчёт цикла, генератора, тракта подачи исходной смеси. Патентный обзор машины с мультиступенчатым эжектором и абсорбционно-диффузионного агрегата.
Это отвод тепла от охлаждаемого тела в окружающую среду. При этом способе температуру охлаждаемого тела можно понизить только до температуры окружающей среды. Это самый простой способ охлаждения без затраты энергии.
Искусственное охлаждение - это охлаждение тела ниже температуры окружающей среды. Для искусственного охлаждения применяют холодильныр машины или холодильные установки. При этом способе охлаждения необходимо затратить энергию.
Существует несколько способов получения искусственного холода . Самый простой - охлаждение с помощью льда или снега. Ледяное охлаждение имеет существенный недостаток - температура охлаждения ограничена температурой таяния льда. В качестве охладителей используют водный лед, льдосоляные смеси, сухой лед и жидкие холодильные агенты (хладоны и аммиак).
Льдосоляное охлаждение производится с применением дробленого водного льда и соли. Из-за добавления соли скорость таяния льда увеличивается, а температура таяния льда опускается. Охлаждение сухим льдом основано на действии твердого диоксида углерода - при поглощении тепла сухой лед переходит из твердого состояния в газообразное. С помощью сухого льда можно получить более низкую температуру, чем при использовании водного льда: охлаждающее действие 1 кг сухого льда почти в 2 раза больше, чем 1 кг водного льда, при охлаждении не возникает сырости, выделяемый газообразный диоксид углерода обладает консервирующими свойствами, способствует лучшему сохранению продуктов. Сухой лед применяется при перевозках замороженных продуктов, охлаждении фасованного мороженого, хранении замороженных фруктов и овощей.
Наиболее распространенным и удобным при эксплуатации является машинное охлаждение. По сравнению с другими машинное охлаждение обладает следующими преимуществами:
В основу машинного охлаждения положено свойство некоторых веществ кипеть при низкой температуре, поглощая при этом большое количество теплоты из окружающей среды. Такие вещества называют холодильными агентами ().
Хладагенты - это рабочие вещества паровых холодильных машин, с помощью которых обеспечивается получение низких температур. Хладагенты должны иметь высокую теплоту парообразования, низкую температуру кипения, высокую теплопроводность. Вместе с тем хладагенты не должны быть взрывоопасными, легко воспламеняющимися, ядовитыми. Важное значение имеет стоимость хладагентов. Наиболее отвечающим этим требованиям являются хладон 12, хладон 22 и аммиак. Хладон поступает в торговые предприятия в металлических баллонах, окрашенных в алюминиевый цвет и имеющих условную маркировку R12 или R22.
Компрессорные холодильные установки являются основными потребителями электроэнергии на предприятиях по переработке и хранению скоропортящихся пищевых продуктов, что требует изыскивать резервы для экономии энергоресурсов. Поскольку для большей части территории нашей страны характерны продолжительные зимы с низкими температурами воздуха, весьма перспективным направлением экономии энергоресурсов является широкое применение естественного холода. Отметим несколько направлений использования естественного холода.
Наиболее простым и распространенным способом является непосредственная подача холодного воздуха в камеры охлаждения или хранения продуктов, когда наружная температура воздуха равна или ниже требуемой в камерах. В наружных стенах делаются отверстия для забора воздуха с помощью вентилятора и выпуска его через лепестковый обратный клапан (рис. 94). Раздача воздуха в камере производится через воздуховод с регулируемыми окнами, которые автоматически закрываются шиберами при остановке вентилятора. Температура в камере поддерживается двухпозиционным реле температуры, включающим или отключающим вентилятор. При размещении в камере неупакованных продуктов на всасывании вентилятора необходимо установить фильтры очистки воздуха от пыли и микроорганизмов (например, ЛАИК СП-6/15 или ЛАИК СП-6/15А). Установлено, что в районах с относительной влажностью воздуха 85 % и выше в камерах с неупакованной продукцией можно применять наружный воздух без увлажнения. В других случаях предусматривается система увлажнения воздуха. Учитывая сезонность использования естественного холода, целесообразно сочетать в камерах оборудование для естественного и искусственного охлаждения. При работе с искусственным охлаждением в летний период отверстия в ограждениях закрываются теплоизолированными люками. Для основных районов массового выращивания картофеля и овощей период хранения совпадает с периодом устойчивого стояния достаточно низких температур наружного воздуха. В связи с этим получает широкое распространение способ хранения продукции насыпью в условиях активного вентилирования с использованием естественного холода. Подача наружного воздуха осуществляется вентилятором в воздуховод переменного сечения, расположенный под перфорированным полом хранилища (рис. 95). Подаваемый воздух увлажняется, проходит через продукты снизу вверх и удаляется из хранилища через дефлектор. Вентилятор и увлажнитель автоматически включаются в работу по сигналу от датчиков дифференцированных терморегуляторов при температуре наружного воздуха на 2…3°С ниже температуры, которую имеет масса продукта. Увлажнение воздуха осуществляется водяным паром или распылением воды. Оптимальные значения влажности воздуха перед поступлением к продукту 90 % и более, а удельного расхода воздуха на 1 т продукции - более 100 м 3 /ч.
В молочной промышленности также широко распространено охлаждение хладоносителя с помощью наружных теплообменных аппаратов или в градирнях. В качестве теплообменных аппаратов можно использовать стандартные воздухоохладители с высокой степенью оребрения и мощными вентиляторами (например, ВОГ-230), устанавливаемые вне помещения (на крыше компрессорного цеха). Учитывая ограниченное время работы теплообменных аппаратов, использующих природный холод, общая схема циркуляции хладоносителя (воды, рассолов) должна быть мобильной и иметь переключения в расчете на разные режимы работы: охлаждение хладоносителя только наружными теплообменными аппаратами; совместная работа наружных аппаратов и испарителей холодильной установки; охлаждение хладоносителя только в испарителях холодильной установки. В зимнее время ледяную воду можно получать в градирнях при полном или частичном отключении холодильного оборудования. На рис. 96 показана схема подключения градирни для охлаждения хладоносителя, работающая в трех режимах: аккумулирование холода в ночное время, контур циркуляции хладоносителя (градирня - бак - насос); охлаждение технологического оборудования аккумулированным холодом и подохлаждение хладоносителя в градирне; охлаждение хладоносителя в испарителе. Параметром, по которому выбирается тот или иной способ охлаждения, является температура хладоносителя, поступающего в технологические аппараты.
Стандартные градирни типа ГПВ используются для получения воды с температурой 1…4°С при наружной температуре воздуха –5 °С и ниже. Недостатком устройства пленочных градирен является льдообразование на элементах конструкции, что приводит к резкому уменьшению количества циркулирующего воздуха и. повышению температуры охлажденной воды. Этот недостаток устранен в установке марки Я10-ОУ0 для естественного охлаждения в зимнее время циркуляционной воды. Она обеспечивает охлаждение воды от 10 до 5±1°С при температуре окружающего воздуха от –5 °С и ниже. В летний период установка выполняет функции градирни в системе оборотного водоснабжения. Для периодического удаления льда предусмотрена система оттаивания. Градирня монтируется на открытой площадке с обеспечением свободного слива из поддона в блок накопления, при этом разность отметок между сливным патрубком поддона и уровнем воды в блоке накопления не менее 1 м.
Заслуживает особого внимания способ аккумуляции зимнего холода путем намораживания ледяных буртов, позволяющий значительную часть летнего времени обходиться без машинного охлаждения, что дает экономию энергоресурсов, смазочных материалов, увеличивает срок службы оборудования.
Еще один резерв экономии электроэнергии за счет естественного холода - применение воздушных конденсаторов, которые можно использовать в качестве форконденсаторов в сочетании с кожухотрубными и испарительными конденсаторами. В зимний период воздушные форконденсаторы могут взять на себя всю тепловую нагрузку от установки, при этом температура конденсации может быть сколь угодно низкой, что приводит к экономии электроэнергии на выработку холода. Использование природного холода для охлаждения является неисчерпаемым источником эффективных технических решений, причем сочетанием двух и более видов естественного охлаждения могут быть достигнуты достаточно высокие технико-экономические показатели.
В нашем воображении само понятие «теплофизика» обычно связывается с производством тепла, эффективностью сжигания топлива, с получением энергии. Понятно, что для жителей Сибири тепло стоит на более важном месте, нежели холод. Тем не менее, производство холода – это тоже одна из актуальных задач для ученых, работающих в области теплофизики. И самое примечательное – для производства холода они предлагают привлекать всё то же тепло!
Зачем нужно производить холод, думаю, многим из нас понятно. Холод нужен для хранения продуктов, для создания благоприятного микроклимата в помещениях, для определенных производственных процессов. У каждого из нас в доме стоит холодильник, все нормальные общественные здания оборудованы кондиционерами. Представьте себе кафе, магазин, гостиницу или бизнес-центр без кондиционера, и вы поймете, что система охлаждения не менее важна, чем система отопления, даже если речь идет о Сибири. Зимой, ясное дело, мы нуждаемся в тепле. А летом? Лето в наших краях тоже иногда бьет рекорды по жаре. А уж про южные страны и говорить нечего.
Короче говоря, современные параметры комфорта и потребность в хранении продуктов так или иначе требуют производства холода. И надо сказать, что из года в год потребность в искусственном холоде увеличивается как в России, так и за рубежом.
Как производят холод? На сегодняшний день существует два основных типа холодильных машин – парокомпрессионные холодильные машины и абсорбционные бромистолитиевые машины. Первый тип нам хорошо известен – так устроены наши бытовые холодильники, работающие от электросети. Работа таких машин основана на изменении агрегатных состояний холодильного агента – хладона (фреона) – под воздействием механической энергии. Для превращения электрической энергии в механическую здесь, как мы знаем, используются компрессоры.
Что касается холодильных машин второго типа, то их работа основана на химическом взаимодействии веществ рабочей пары – абсорбента и хладогента, и изменении агрегатного состояния хладогента под воздействием тепловой энергии. Иначе говоря, для своей работы такие машины используют тепло.
И вот здесь мы как раз и подходим к самому важному моменту, касающемуся холодильных машин второго типа. Так вот, если в первом случае нам для производства холода необходимо тратить электроэнергию, то во втором случае мы вполне можем использовать «лишнее» тепло, которое при иных обстоятельствах очень часто вылетает в трубу (в буквальном смысле). Конечно, греющими источниками для таких машин могут служить и обычные энергоресурсы – газ или мазут, но также можно вовсю использовать пар из котельных, промежуточные отборы ТЭЦ, горячую воду, дымовые газы или отходящие пары производств. Иначе говоря, тепло, выбрасываемое в атмосферу, благодаря абсорбционным машинам вполне пригодно для производства холода. То есть, в этом случае нет необходимости тратить ценные энергоресурсы - достаточно рачительно использовать «излишки» тепла, коих особенно много образуется как раз в летний период, когда имеет смысл охлаждать помещения.
Надо сказать, что экономичность – это одно из важнейших преимуществ абсорбционных бромистолитиевых холодильных машин перед парокомпрессионными. Как мы понимаем, в условиях постоянного роста тарифов на электроэнергию это становится особенно важно.
Другое немаловажное преимущество – экологичность, связанная с отсутствием хладонов (фреонов), применение которых ограничено во многих странах в соответствии с Монреальским и Киотским протоколами. На бромистолитиевые машины подобные ограничения не распространяются. Используемый здесь в качестве абсорбента водный раствор бромистого лития является нелетучим и нетоксичным, относящимся к малоопасным веществам.
Еще одно преимущество связано с низким уровнем шума при роботе. Также можно упомянуть простоту в обслуживании, длительный срок службы и пожаро- и взрывобезопасность.
Благодаря указанным преимуществам такие машины в состоянии найти широкое применение как в быту, так и в хозяйственной деятельности. Спектр их применения достаточно широк – от металлургических предприятий, атомных электростанций, нефтехимических комбинатов – до тепличных хозяйств, многоквартирных домов, торговых центров и прочих общественных зданий, где требуется создать комфортный микроклимат. И самое важное (подчеркнем еще раз), этого комфорта можно добиться при минимальных затратах электроэнергии!
Разрабатывают ли в нашей стране такие машины? Да, разрабатывают! И даже производят. Как раз такой образец, разработанный специалистами Института теплофизики СО РАН, производится в Кемеровской области. Причем важно заметить, что отечественные машины обладают некоторыми преимуществами в сравнении с иностранными. Например, они, что называется, «подстраиваются» под конкретного потребителя. Наши специалисты используют гибкую систему проектирования и осуществляют сборку на самом объекте. Причем, заказчикам они могут предложить машину очень большой мощности – до 5,3 МВт. Кроме того, учитывая сложные реалии, разработчики предусмотрели – специально для аварийных случаев – дублирование автоматической системы управления ручной системой (с помощью «кнопочек»).
Однако такой индивидуальный подход выявил и свои слабые места. Речь идет о рыночной конкуренции с зарубежными серийными образцами (поступающими, главным образом, – из Китая). Так, зарубежные производители, «штампующие» такие машины на конвейере, в состоянии прибегнуть к демпингу. А если говорить о китайцах, то те вообще могут рассчитывать на государственную поддержку, осуществляя завоевание российского рынка. Нашим производителям государство помогать не собирается (и не будет).
Так что пока еще о серийном производстве отечественных машин речь не идет. Это, конечно, только в планах. Поэтому в настоящее время (что очень важно), специалисты ИТ СО РАН доводят свое детище до совершенства, максимально подстраиваясь под запросы каждого потребителя. Возможно, в этом индивидуальном подходе есть свой плюс. Не исключено, что такая вот «ручная сборка» когда-нибудь станет показателем высокого качества и будет высоко оценена на рынке.
